GIỚI THIỆU
Giới thiệu
Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng ngày càng tăng và nguồn năng lượng hóa thạch đang cạn kiệt, áp lực về cung cấp năng lượng, giảm khí nhà kính và tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế ngày càng lớn Tài nguyên sinh khối được coi là nguồn năng lượng tái sinh tiềm năng, có khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên, hiện nay, nguồn tài nguyên quý giá này vẫn chưa được khai thác hiệu quả, dẫn đến lãng phí và tác động tiêu cực đến môi trường.
Việt Nam, một quốc gia nông nghiệp, sở hữu tiềm năng sinh khối phong phú từ các loại cây trồng như lúa, khoai, bắp, đậu và các sản phẩm thực phẩm khác Ngoài ra, chăn nuôi gia súc và gia cầm cũng đóng góp đáng kể vào nguồn sinh khối của đất nước Theo Báo cáo ngành Nông nghiệp năm 2011, tiềm năng này mở ra nhiều cơ hội cho phát triển bền vững trong lĩnh vực nông nghiệp.
Năm 2011, tổng sản lượng lương thực của Việt Nam ước đạt 47 triệu tấn, trong đó lúa chiếm 42 triệu tấn và ngô đạt 4,7 triệu tấn Tuy nhiên, ngành chăn nuôi cũng phát sinh một lượng lớn chất thải, ước tính khoảng 84,5 triệu tấn từ tổng đàn gia súc và gia cầm, trong đó chất thải từ lợn, gia cầm và bò lần lượt là 25 triệu tấn, 22 triệu tấn và 22 triệu tấn Chỉ một phần nhỏ trong số này được xử lý, dẫn đến ô nhiễm môi trường và lãng phí tài nguyên Do đó, việc xử lý chất thải chăn nuôi ngày càng được chú trọng nhằm xây dựng hệ thống sử dụng tài nguyên sinh khối hiệu quả và bền vững, đồng thời góp phần vào mục tiêu phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam Đề tài nghiên cứu “Đánh giá hiện trạng tái sử dụng sinh khối nông nghiệp và đề xuất giải pháp sử dụng hiệu quả sinh khối tại 3 xã Thái Mỹ, Mỹ An và Ka Đô” nhằm xác định tiềm năng sinh khối từ hoạt động chăn nuôi và trồng trọt, tập trung vào ba khu vực điển hình cho sản xuất nông nghiệp phía Nam Việt Nam.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
1.2.1 Mục tiêu đề tài Đánh giá tiềm năng tái sử dụng chất thải nông nghiệp từ hoạt động trồng lúa, nuôi heo bò, và trồng rau quả, dựa trên cân bằng năng lƣợng – tiền tệ ở 3 làng nông nghiệp Ka Đô - Lâm Đồng; Thái Mỹ - Củ Chi và Mỹ An – Long An
1.2.2 Nội dung nghiên cứu Để đáp ứng mục tiêu trên, đề tài này gồm các nội dung nghiên cứu sau:
- Khảo sát hiện trạng sử dụng sinh khối, năng lƣợng và chất thải phát sinh của
Tiềm năng sử dụng rơm để sản xuất ethanol và nấm rơm, cũng như việc tận dụng trấu để sản xuất củi trấu và chất thải từ rau quả để làm phân compost, đã được đánh giá một cách chi tiết đến năm 2020 Việc khai thác những nguồn nguyên liệu này không chỉ góp phần vào việc phát triển kinh tế bền vững mà còn giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường Sự chuyển đổi này sẽ tạo ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và nông nghiệp hữu cơ.
Đến năm 2020, việc tái sử dụng chất thải từ bò và heo để sản xuất biogas đã được đánh giá hiệu quả, cung cấp nguồn điện và nhiên liệu cho xe Đồng thời, bùn thải từ quá trình biogas được sử dụng làm phân bón hữu cơ cho ruộng lúa, góp phần vào việc phát triển nông nghiệp bền vững.
- Đề xuất các giải pháp và chính sách quản lý để đẩy mạnh việc sử dụng hiệu quả sinh khối nông nghiệp.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá tiềm năng tái sử dụng sinh khối trong nông nghiệp tại ba địa điểm: xã Ka Đô, huyện Đơn Dương, tỉnh Lâm Đồng; xã Mỹ An, huyện Thủ Thừa, tỉnh Long An và xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh.
Xã Ka Đô, thuộc tỉnh Lâm Đồng, đang được đánh giá về tiềm năng sinh khối từ chất thải nông nghiệp, bao gồm chất thải từ trồng cà chua, bắp cải, su su, cùng với chất thải từ quá trình chăn nuôi bò Việc khai thác nguồn sinh khối này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo, góp phần vào sự phát triển bền vững của địa phương Nghiên cứu này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc quản lý chất thải nông nghiệp nhằm tối ưu hóa nguồn tài nguyên và nâng cao hiệu quả kinh tế cho người dân.
Xã Thái Mỹ, thuộc huyện Củ Chi, có tiềm năng lớn trong việc tận dụng sinh khối từ chất thải nông nghiệp và chăn nuôi Các nguồn sinh khối quan trọng bao gồm rơm và trấu từ hoạt động trồng lúa, cùng với phân heo và bò từ chăn nuôi Việc khai thác hiệu quả những nguồn tài nguyên này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn năng lượng tái tạo bền vững cho địa phương.
- Xã Mỹ An – Long An: đánh giá tiềm năng sinh khối của chất thải từ trồng lúa và nuôi heo.
Ý nghĩa đề tài
Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc thiết kế hệ thống sử dụng sinh khối hiệu quả tại các làng nông nghiệp ở Việt Nam.
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo tại địa phương, từ đó ước tính tiềm năng sử dụng năng lƣợng và cơ hội sử dụng năng lƣợng Từ kịch bản đƣa ra phương pháp sử dụng hiệu quả và triệt để năng lượng sinh khối cho người dân, nhằm thay dần việc sử dụng năng lƣợng hóa thạch
Đề tài tập trung vào việc xây dựng một cộng đồng nhằm giảm thiểu lượng phát thải sinh khối ra môi trường, đồng thời tận dụng và tái sử dụng các nguồn sinh khối, hướng tới một môi trường xanh Mục tiêu là cung cấp các sản phẩm nông nghiệp sạch và an toàn, góp phần vào việc giảm sự nóng lên toàn cầu.
1.4.3 Tính mới của đề tài Đề tài nhằm hướng tới xây dựng một hệ thống sử dụng sinh khối bền vững tại các khu vực nông thôn, khu vực sản xuất nông nghiệp, từ đó đƣa ra các kịch bản sử dụng năng lƣợng sinh khối điển hình.
TỔNG QUAN
Sinh khối nông nghiệp
2.1.1 Sinh khối trồng trọt Đề tài này chủ yếu nghiên cứu tái sử dụng nguồn sinh khối nông nghiệp từ phế phẩm nông nghiệp, bao gồm rơm, rạ, trấu trong sản xuất lúa, thân cây và hoa quả hƣ trong sản xuất rau củ
Lượng chất thải phát sinh từ các phần thải bỏ của cây trồng được ước lượng khác nhau tùy thuộc vào từng loại cây Hệ số phát thải cụ thể cho mỗi loại cây trồng được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2 1 Hệ số phát thải của các loại cây trồng (ICRA, 2005)
Loại cây trồng Hệ số phát thải
Phụ phẩm từ gạo và lúa mì chủ yếu bao gồm rơm, rạ và trấu Trấu có cấu trúc cứng và khó lên men do chứa nhiều lignin và silica (SiO2), thường được sử dụng làm chất đốt Tuy nhiên, với hàm lượng silica cao (10-20%), trấu có thể gây hỏng lò đốt, vì vậy các nhà khoa học đang nghiên cứu để chuyển đổi trấu thành vật liệu xây dựng hoặc sản xuất điện Ngược lại, rơm rạ dễ lên men hơn và có nhiều ứng dụng trong sản xuất ethanol Thông tin chi tiết về thành phần trấu và rơm rạ được trình bày trong bảng 2.2 và 2.3.
Phụ phẩm từ ngô bao gồm lá, thân và lõi ngô sau khi thu hoạch, trong khi hạt ngô giàu tinh bột và được dùng để sản xuất ethanol qua quá trình lên men Tương tự, phụ phẩm từ mía gồm ngọn, lá và rễ, được thu gom và vận chuyển đến nhà máy đường hoặc chôn lấp tại chỗ Bã mía chiếm khoảng 25 – 30% trọng lượng mía sau khi ép, với thành phần trung bình chứa 49% nước và 48% xơ.
Bã mía chứa từ 45 đến 55% xenlulozơ và 2,5% chất hòa tan (đường) (Tráng, 2005) Thành phần hóa học của bã mía có thể thay đổi tùy thuộc vào loại mía và đặc điểm vùng trồng.
Bảng 2 2 Thành phần hữu cơ của vỏ trấu ( Chandrasekhar và cộng sự, 2003)
Thành phần chủ yếu Tỷ lệ theo khối lƣợng (%)
Theo nghiên cứu của Garrate và cộng sự (2003), thành phần hóa học của rơm rạ bao gồm 41% glucose, 1,8% mannor, 0,4% galactose, 14,8% xylose, 4,5% arabinose, 4,5% lignin và 12,4% tro Trong khi đó, nghiên cứu của Putun và cộng sự (2004) chỉ ra rằng rơm rạ có thành phần hóa học với tỷ lệ xenlulo 42,4%, hemixenlulo 12,7%, lignin 18,2%, hợp chất trích ly 6,5%, tro 12,8% và độ ẩm 7,1%.
Chất thải chăn nuôi có chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy và chất dinh dƣỡng nhƣ
N, P Chất lượng phân và nước tiểu rất khác nhau phụ thuộc vào loại vật nuôi, chế độ dinh dƣỡng, hệ thống chăn nuôi và điều kiện chăn nuôi Tùy theo đặc điểm của chất thải, phân và nước tiểu được xử lý, sử dụng theo nhiều phương pháp thích hợp
Phân chuồng là chất thải rắn từ quá trình tiêu hóa của vật nuôi, chứa cellulose, hemixenlulose, lignin, protein, lipid, acid hữu cơ và vi sinh vật Nước tiểu là chất thải lỏng, bao gồm ure, acid hippuric và muối vô cơ, được hình thành từ quá trình trao đổi chất Lượng phân và nước tiểu phụ thuộc vào giống, loài, khẩu phần ăn và trọng lượng của vật nuôi.
Bảng 2 3 Lượng phân và nước tiểu thải ra hàng ngày ở một số loài vật nuôi ( Hill &
Vật nuôi Lƣợng phân trung bình
Lượng nước tiểu trung bình (kg/ngày đêm )
Bảng 2 4 Thành phần nguyên tố đa lƣợng trong chất thải của vật nuôi (Minh, 2002) Đơn vị: % khối lƣợng ƣớt
Phân chuồng có thể được phân loại thành hai nhóm hóa học chính: hợp chất chứa nitơ ở dạng hòa tan và không hòa tan, và hợp chất không chứa nitơ như hydratcarbon, lignin, lipid Tỷ lệ carbon/nitrogen (C/N) trong phân chuồng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phân giải và tốc độ phân giải các hợp chất hữu cơ.
Phân bò chứa hầu hết các dinh dƣỡng cho cây trồng nhƣ: đạm, lân, kali, Bo, Mo,
Cu, Mn, Zn và các hormone thực vật như auxin, heteroauxin là những yếu tố quan trọng trong dinh dưỡng cây trồng Phân bò nổi bật với khả năng phân hủy cellulose nhờ vào các vi khuẩn có trong nó, vượt trội hơn so với các loại phân khác Tỷ lệ C/N trong phân bò dao động từ 17-19, cho thấy giá trị dinh dưỡng cao Thông tin chi tiết về thành phần dinh dưỡng của một số loại vật nuôi được trình bày trong các bảng 2.5, 2.6, 2.7 và 2.8.
Bảng 2 5 Khối lượng chất rắn bay hơi áp dụng với các nước khu vực châu Á
Bảng 2 6 Thành phần dinh dƣỡng của một số loại phân chuồng (Cục Chăn nuôi- Bộ
Bảng 2 7 Thành phần dinh dưỡng của phân bò tươi (Bảy, 2002)
Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị
Béo thô % khối lƣợng khô 0,3
Xơ thô % khối lƣợng khô 19,9
Bảng 2 8 Thành phần dinh dƣỡng phân heo (Minh, 2002)
Chỉ số Đơn vị Giá trị
Cu tổng % khối lƣợng khô 81,6
Zn tổng % khối lƣợng khô 56,4
Theo nghiên cứu của Reese và Koelsch (2000), khí thải từ phân lợn chủ yếu bao gồm metan, cacbon dioxit, ammoniac và hydro sulphit, trong đó ammoniac là thành phần chính nhưng không phải là khí có mùi nặng nhất Nồng độ trung bình của NH3 thường không vượt quá 66ppm, trong khi ngưỡng mùi của nó là 47ppm Lượng nitơ (N) và phốt pho (P) thải ra từ chất thải phụ thuộc vào ba yếu tố: (i) lượng N và P được tiêu thụ, (ii) tỷ lệ N và P được sử dụng cho phát triển và sinh sản, và (iii) lượng N và P có trong chất tiết, tế bào chết và vi khuẩn trong đường ruột.
Khả năng gây mùi của phân heo phụ thuộc vào khẩu phần ăn, với lượng nitrogen (N) cao trong phân sẽ dẫn đến mùi hôi mạnh hơn Bên cạnh đó, phân heo cũng chứa các mầm bệnh, kháng sinh và hormone Lượng muối trong phân heo khá cao, với khoảng 75% muối được thải ra qua đường tiểu và 25% qua phân.
Phân heo đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học nhờ vào hàm lượng dinh dưỡng cao, đặc biệt là nitrogen (N) Nếu không được quản lý và tái sử dụng hợp lý, chất thải chăn nuôi có thể trở thành gánh nặng cho các cơ sở chăn nuôi Ngược lại, khi được tận dụng đúng cách, chất thải này có thể trở thành nguồn tài nguyên quý giá.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
2.2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra tiềm năng tái sử dụng chất thải nông nghiệp, trong đó nghiên cứu của PGS.TS Dương Nguyên Khang (2009) cho thấy, việc sử dụng chất thải chăn nuôi trâu, bò và heo trong năm 2008 có thể sản xuất khoảng 7.931.700m³ biogas mỗi ngày, tương đương với 9.121.455 lít xăng/ngày.
Một nghiên cứu của TS Đỗ Thành Nam (2008) đã chỉ ra rằng việc tái sử dụng chất thải chăn nuôi để sản xuất biogas mang lại hiệu quả cao Cụ thể, thể tích gas thu được đạt 0,223 lít gas mỗi lít hầm mỗi ngày Nếu tính theo nồng độ vật chất khô (VCK) trong phân heo là 4%, lượng gas sinh ra là 265,16 lít gas trên mỗi kg VCK mỗi ngày Tuy nhiên, lượng gas thực tế trong bể biogas chỉ đạt 59,8% so với lượng gas lý thuyết.
Ngoài giải pháp tái sử dụng chất thải chăn nuôi làm biogas, trong nghiên cứu của GS
TS Vũ Đình Tôn (2009) đã nghiên cứu về việc tái sử dụng sinh khối để phát triển nuôi giun quế, thực hiện nhiều thí nghiệm pha trộn phân bò, phân heo và rơm để tìm ra tỷ lệ tối ưu cho sự phát triển của giun quế Kết quả cho thấy giun quế phát triển mạnh nhất khi sử dụng 100% phân bò tươi Ngoài ra, sự phát triển của trùn quế còn có khả năng xử lý hiệu quả các chất thải hữu cơ và tăng cường hàm lượng khoáng chất như P và K.
Giun quế không chỉ giúp chuyển hóa các chất dinh dưỡng thành dạng dễ hấp thu cho cây trồng như NH4+ và NO3-, mà còn là nguồn thức ăn bổ dưỡng cho gà Việc bổ sung giun quế vào khẩu phần ăn của gà giúp cân bằng các chất dinh dưỡng, cho phép gà tiêu thụ ít thức ăn hơn nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ nhu cầu dinh dưỡng, đồng thời hỗ trợ tăng trọng hiệu quả hơn.
Tại Việt Nam, bên cạnh nghiên cứu về tái sử dụng chất thải chăn nuôi, đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào tái sử dụng chất thải trồng trọt, điển hình là nghiên cứu của GS.TS Trần Đình Toại (2012) về sản xuất ethanol từ rơm Năm 2011, lượng phế thải nông nghiệp ước tính đạt khoảng 80-100 triệu tấn/năm Nếu chuyển hóa 10% lượng phế thải này thành ethanol với hiệu suất 20%, có thể thu được 2 triệu tấn ethanol/năm Cụ thể, từ 1 kg rơm có thể thu được khoảng 0,4 kg cellulose, và nếu sử dụng các chủng vi sinh có hệ enzyme hoạt tính cao, hiệu suất thủy phân có thể đạt 80-90%, tức là từ 0,4 kg cellulose sẽ tạo ra khoảng 0,34 kg glucose Ước tính, từ 6 tấn cellulose độ ẩm 6%, có thể sản xuất 1 tấn nhiên liệu sinh học.
Lê Văn Trí (2012) đã nghiên cứu một ứng dụng quan trọng của chất thải nông nghiệp, đó là xử lý rơm và các phụ phẩm nông nghiệp thành phân bón cho cây trồng bằng chế phẩm sinh học Trung bình, mỗi hectare đất nông nghiệp có thể thu được khoảng 6 tấn rơm, lượng rơm này có thể được tận dụng hiệu quả để sản xuất phân bón hữu cơ, góp phần cải thiện chất lượng đất và năng suất cây trồng.
Việt Nam hàng năm sản xuất gần 45 triệu tấn rơm, nếu tận dụng hết lượng rơm này, có thể tạo ra gần 20 triệu tấn phân hữu cơ, tương đương với 51,5 kg N, 25,4 kg P2O5 và 137,4 kg K2O cho mỗi tấn phân hữu cơ Việc sử dụng phân hữu cơ từ rơm rạ không chỉ giúp thay thế hàng nghìn tấn phân bón hóa học mà còn tiết kiệm chi phí đáng kể, tương đương với 200 ngàn tấn đạm, 190 ngàn tấn lân và 460 ngàn tấn kali mỗi năm.
Nghiên cứu của Nguyễn Văn Nghị (2011) cho thấy việc tái sử dụng chất thải trồng trọt, cụ thể là tái chế vỏ trấu thành vật liệu chất đốt, là một giải pháp khả thi để xử lý lượng trấu dư thừa Sản xuất củi từ vỏ trấu có thể đạt hiệu quả kinh tế với giá thành giảm khoảng 20%-25% so với than đá, than cám và dầu FO Củi trấu thành phẩm đạt nhiệt lượng khoảng 4,000 kcal/kg, và mỗi kg củi trấu có khả năng tạo ra 0,125 kWh điện và 4 kWh nhiệt, tùy thuộc vào công nghệ sử dụng.
Nghiên cứu của Võ Dao Chi (2011) về tiềm năng phát triển và sử dụng sinh khối tại huyện Củ Chi, Tp HCM cho thấy rằng chất thải từ hoạt động chăn nuôi được tận dụng hiệu quả Cụ thể, khoảng 70% chất thải từ phân heo và 60% từ phân bò được sử dụng, chủ yếu để sản xuất biogas, phân compost và phân khô Đặc biệt, phân heo còn được dùng làm thức ăn cho cá theo mô hình VAC, trong khi phân bò hỗ trợ nuôi trùn quế hoặc bón trực tiếp cho đồng cỏ Ngoài ra, lượng bùn thải từ quá trình sản xuất biogas cũng được tận dụng để làm phân compost, chiếm khoảng 50% so với tổng lượng bùn phát sinh.
Bảng 2 9 Hiện trạng tiềm năng phát sinh và sử dụng sinh khối chăn nuôi của huyện
(tấn/năm) Phương thức sử dụng
Khối lƣợng sử dụng (tấn/năm) Ƣớc tính tỉ lệ sử dụng (%)
-Biogas -Thức ăn cho cá -Phân compost -Phân khô
-Biogas -Nuôi trùn quế -Phân Compost -Phân bò khô -Bón trực tiếp trên đồng
Chất thải sinh hoạt 44.713 -Đốt
Dƣ lƣợng 197 -Thức ăn cho gia súc 138 70 thức ăn -Chôn lấp
Nghiên cứu của Võ Dao Chi (2011) cho thấy chất thải từ hoạt động trồng trọt ở huyện Củ Chi chủ yếu phát sinh từ việc trồng lúa, bắp, mía, đậu phụng, rau quả và cây ăn trái Chất thải này được sử dụng đa dạng, bao gồm làm thức ăn cho gia súc, giá thể trồng nấm, chất đốt, hoặc chôn lấp ngay tại ruộng canh tác Ước tính khoảng 70-90% lượng chất thải trồng trọt được tái sử dụng hiệu quả.
Bảng 2 10 Hiện trạng tiềm năng phát sinh và sử dụng sinh khối chăn nuôi của huyện
Khối lƣợng sử dụng (tấn/năm) Ƣớc tính tỉ lệ sử dụng (%)
-Thức ăn cho gia súc
-Thức ăn cho gia súc 95.040 90
-Thức ăn cho gia súc
Cây cao su 310 -Củi đốt
-Giá thể trồng nấm Cây trồng năng lƣợng
Bắp 1801,8 -Thức ăn gia súc
Mía 7581,6 -Thức ăn gia súc
-Thức ăn cho gia súc
2.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trên toàn cầu, mỗi năm có khoảng 140 tỷ tấn sinh khối được tạo ra từ nông nghiệp, tương đương với 50 tỷ tấn dầu Sinh khối từ chất thải nông nghiệp có thể chuyển đổi thành năng lượng, thay thế nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính và cung cấp năng lượng tái tạo cho khoảng 1,6 tỷ người ở các nước đang phát triển chưa có điện Với nhiều dạng như rơm, lá, rễ, vỏ, chất thải gỗ và chăn nuôi, sinh khối nông nghiệp có tiềm năng lớn cho ngành công nghiệp quy mô lớn và doanh nghiệp cộng đồng Để ứng phó với biến đổi khí hậu, các quốc gia đang tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế, giúp giảm thiểu khí thải và tăng cường an ninh năng lượng.
Năng lượng phát sinh từ chất thải chăn nuôi tính cho toàn cầu tương đương với 50 -
Năng lượng rơm cung cấp từ 50 đến 150 W/người/năm, trong khi tiêu thụ năng lượng trung bình mỗi người là 2,5 kW/ngày Toàn cầu sản xuất khoảng 80 triệu thùng dầu mỗi ngày, tương đương 1 kW/người/ngày Khí sinh học từ rơm, rạ và phân bón có khả năng thay thế từ 10 đến 30% lượng dầu sản xuất trên toàn thế giới.
Trung Quốc, với vai trò là một quốc gia nông nghiệp lớn, sở hữu nguồn năng lượng sinh khối phong phú, chủ yếu từ chất thải nông nghiệp Năm 2010, khoảng 0,75 tỷ tấn chất thải nông nghiệp được sản xuất, tương đương với 12.000 tỷ kJ Trong đó, sinh khối từ cây trồng chiếm khoảng 52% tổng tài nguyên sinh khối của đất nước, và sinh khối rơm chiếm khoảng 62% tổng chất thải thực vật Hiện tại, chất thải từ cây trồng chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu, thức ăn gia súc, phân bón và nguyên liệu công nghiệp, vì vậy việc thúc đẩy sử dụng các nguồn tài nguyên rơm là rất quan trọng.
Việc sử dụng rơm không chỉ tiết kiệm tài nguyên mà còn giảm ô nhiễm môi trường, tăng thu nhập và bảo vệ môi trường Rơm đóng vai trò là nguồn năng lượng chính, đặc biệt ở các vùng nông thôn, nơi nó chủ yếu được dùng làm nhiên liệu cho nấu ăn hoặc đốt cháy trực tiếp Dự kiến, tỷ lệ sử dụng toàn diện các nguồn tài nguyên rơm sẽ vượt 80% vào năm 2015 (Liu & cs, 2011).
Năm 2001, tiềm năng chất thải nông nghiệp của Thái Lan được ước tính khoảng 20 triệu tấn, trong đó trấu chiếm 0,15%, dầu cọ 0,26%, bã mía 0,057% và chất thải gỗ 0,31% (Chungsangunsit & cs, 2004) Tỷ lệ sử dụng năng lượng từ trấu, dầu cọ và bã mía rất thấp, lần lượt chỉ đạt 0,0005%; 0,006%; 0,0003% và 3.10 -7 % Những con số này cho thấy tiềm năng sinh khối nông nghiệp lớn hơn nhiều so với mức sử dụng hiện tại Hai công nghệ chính để xử lý sinh khối thành năng lượng là nhiệt hóa học và hóa sinh Quá trình khí hóa chuyển đổi sinh khối thành hỗn hợp khí dễ cháy thông qua quá trình oxy hóa một phần ở nhiệt độ cao (800 - 900°C), khí này có thể được sử dụng để sản xuất methanol Ngoài ra, quá trình nhiệt phân cho phép chuyển đổi sinh khối từ dạng rắn sang lỏng, với hiệu suất khí đốt đạt 80% trong điều kiện thiếu không khí.
Tổng quan về khu vực nghiên cứu
2.3.1 Tổng quan về xã Thái Mỹ huyện Củ Chi a Điều kiện tự nhiên
Xã Thái Mỹ, tọa lạc ở phía Tây Nam huyện Củ Chi, cách trung tâm thành phố Hồ Chí Minh 45 km, có vị trí địa lý giáp ranh với xã An Tịnh ở phía Bắc, xã Tân Mỹ ở phía Tây và Nam thuộc huyện Đức Hòa, tỉnh Long An.
Xã Phước Thạnh và Phước Hiệp thuộc huyện Củ Chi nằm ở phía Đông, với đường Tỉnh lộ 7 chạy xuyên suốt từ Bắc xuống Nam, tạo điều kiện thuận lợi cho giao thông và trao đổi hàng hóa với khu vực xung quanh.
Hình 2 5 Bản đồ xã Thái Mỹ, huyện Củ Chi, TP.HCM
Xã có 7 ấp với tổng diện tích tự nhiên 2.414 ha, chiếm 5,54% tổng diện tích huyện Diện tích đất nông nghiệp là 1.860 ha, trong đó có 934 ha trồng cây hàng năm và 907 ha trồng cây lâu năm, không có đất lâm nghiệp Xã chỉ có khoảng 5.000 cây lâm nghiệp trồng dọc ven đường giao thông nông thôn Ngoài ra, diện tích đất nuôi trồng thủy sản là 17,7 ha và 1,5 ha đất nông nghiệp khác Diện tích đất phi nông nghiệp là 331 ha, cùng với 222 ha đất chưa sử dụng, tạo điều kiện thuận lợi cho xã trong việc xây dựng cơ sở vui chơi, giải trí phục vụ quá trình xây dựng nông thôn mới.
Địa hình xã Thái Mỹ tương đối bằng phẳng với độ cao chênh lệch gần 2 m giữa khu vực cao nhất và thấp nhất Khu vực này có hướng dốc từ Tây sang Đông, chia thành hai vùng: vùng triền phía bắc với độ cao tối đa 7,4 m và vùng trũng phèn phía nam, bao gồm 330 ha đất trước đây thuộc quản lý của nông trường Tam Tân, có độ cao tối thiểu chỉ 0,3 m, giáp kênh Xáng.
Thổ nhưỡng tại xã Thái Mỹ có đặc điểm là đất đai có thành phần cơ giới từ trung bình đến nặng, với sự tích luỹ muối dẫn đến đất trở nên dính, dẻo khi ướt và nứt nẻ, cứng khi khô Diện tích đất xám khoảng 1.950 ha, chiếm 80,8%, nằm ở vùng cao phía bắc, phù hợp cho các cây công nghiệp và cây ăn trái Trong khi đó, khoảng 464 ha đất phèn và nhiễm phèn, chiếm 19,2%, thuộc nông trường Tam Tân và vùng biên, nằm ở phía tây và nam xã, thường thích hợp với tràm chua, mía, cây thơm, thanh long và chanh Giữa hai vùng này, diện tích đất nhiễm phèn thường được trồng lúa từ 1 đến 2 vụ mỗi năm.
Xã Thái Mỹ có khí hậu nhiệt đới gió mùa cận xích đạo với bức xạ cao và phân bố không đều qua các năm Khí hậu ở đây chia thành hai mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11 và mùa nắng từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau Nhiệt độ trung bình hàng năm dao động từ 24-29°C, với nhiệt độ cao nhất vào tháng 4 và thấp nhất vào tháng 12 Sự chênh lệch nhiệt độ giữa các tháng không lớn, biên độ dao động nhiệt độ giữa ngày và đêm khoảng 5 đến 10°C.
Xã Thái Mỹ là một xã nông nghiệp, gắn với làng nghề đan lát đã hình thành lâu đời
Cơ sở hạ tầng của xã đang dần được nâng cấp, góp phần hỗ trợ sản xuất nông nghiệp, thương mại, dịch vụ và cải thiện đời sống của người dân Hệ thống Kênh Thầy Cai cùng các kênh thuộc hệ thống kênh Đông đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc tưới tiêu trong sản xuất nông nghiệp.
Nhiều lao động nông nghiệp đã chuyển sang làm việc trong ngành công nghiệp, giúp tăng thu nhập cho hộ nông nghiệp Đồng thời, một số lao động tham gia chương trình xuất khẩu lao động, với 1.270 người hiện đang làm việc ở nước ngoài và gửi về từ 150 đến 200 triệu đồng mỗi năm Những đóng góp này đã tạo ra nguồn lực quan trọng cho sự phát triển của ngành nông nghiệp.
Lao động nông nghiệp chủ yếu là người lớn tuổi, mặc dù có nhiều kinh nghiệm, nhưng khả năng tiếp thu kỹ thuật mới và năng suất lao động lại thấp Điều này dẫn đến việc họ ngần ngại áp dụng các giống cây trồng và vật nuôi mới, mặc dù những giống này có tiềm năng mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Chương trình chuyển đổi cơ cấu kinh tế nông nghiệp tại xã được chính quyền và địa phương quan tâm, nhưng hiệu quả vẫn chưa cao do khó khăn trong việc tìm cây con mới phù hợp Việc tiêu thụ sản phẩm nông nghiệp gặp trở ngại vì nông dân chủ yếu sản xuất nhỏ lẻ, không đáp ứng yêu cầu thị trường Hơn nữa, nông dân chưa dám đầu tư mở rộng hay chuyển đổi sang cây trồng vật nuôi khác.
Phần lớn thu nhập của các hộ dân xã Thái Mỹ chủ yếu đến từ chăn nuôi và nghề đan lát, với hơn 3.000 lao động tham gia và doanh thu đạt trên 21 tỷ đồng mỗi năm Ngoài ra, công nhân tại các khu công nghiệp trong và ngoài huyện cùng với xuất khẩu lao động đã mang lại nguồn thu khoảng 144 tỷ đồng mỗi năm Những nguồn lực này đóng góp quan trọng vào việc thúc đẩy sản xuất nông nghiệp theo hướng hiện đại hóa và công nghiệp hóa, phát triển các hình thức sản xuất kết hợp với du lịch sinh thái, hướng đi đúng đắn cho tương lai.
Từ năm 2010, xã Thái Mỹ đã được chọn để thực hiện dự án biomass nhằm nghiên cứu ứng dụng công nghệ tái sử dụng chất thải trong nông nghiệp và chăn nuôi, góp phần tạo ra năng lượng và phân bón, nâng cao thu nhập cho vùng nông thôn Dự án hướng tới nền nông nghiệp xanh không chất thải, đồng thời nghiên cứu hoàn thiện công nghệ sản xuất cồn sinh học từ rơm Bên cạnh khí sinh học, cồn sinh học sẽ đóng vai trò quan trọng trong phát triển bền vững sản xuất nông nghiệp tại TPHCM.
Xã Thái Mỹ, một trong 6 xã thí điểm xây dựng nông thôn mới tại TP Hồ Chí Minh, đang nỗ lực hoàn thiện kế hoạch phát triển nông thôn mới Kế hoạch này bao gồm việc phát triển kinh tế tập thể, các ngành nghề nông thôn, nâng cao đời sống cộng đồng và triển khai các chính sách hỗ trợ cho phát triển nông nghiệp và nông thôn.
Năm 2011, tổng diện tích sản xuất nông nghiệp của xã Thái Mỹ là 560 ha, với 350 ha trồng lúa, 40 ha trồng rau màu và 164 ha trồng bắp lai Ngoài ra, xã còn vận động đưa đất bỏ hoang vào sản xuất với diện tích 47,07 ha Về chăn nuôi, tổng đàn gia súc của xã là 12.960 con, bao gồm 1.610 con trâu, bò và 11.350 con heo Bên cạnh đó, sản xuất tiểu thủ công nghiệp cũng phát triển mạnh mẽ với việc sản xuất các sản phẩm như rổ, rá và giỏ xuất khẩu sang Đài Loan, đạt doanh thu 9977.580.000 VND.
Ý thức của người dân còn hạn chế và việc sử dụng hóa chất chưa hợp lý đang dẫn đến ô nhiễm môi trường tại các tuyến kênh rạch Bên cạnh đó, chất thải từ chăn nuôi và sinh hoạt của cư dân trong Khu công nghiệp Linh Trung III, Trảng Bàng cùng với bãi rác Tam Tân cũng gây tác động tiêu cực đến cảnh quan môi trường của xã.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Tóm tắt nội dung nghiên cứu 29 3.2 Nội dung 1: Khảo sát hiện trạng sử dụng sinh khối và năng lƣợng của 3 xã 29
Nội dung nghiên cứu của đề tài đƣợc tóm tắt trong sơ đồ 3.1
ND1: Khảo sát hiện trạng sử dụng sinh khối và năng lƣợng
ND2: Đánh giá tiềm năng sử dụng rơm và trấu
ND3: Đánh giá sử dụng phân gia súc
ND4: Đề xuất các giải pháp và chính sách tái sử dụng sinh khối
Xã Ka Đô: 30 hộ Rơm
Khí biogas Bùn thải: Phân bón hữu cơ
Trồng nấm rơm Sản xuất than hoạt tính Sản xuất củi trấu Điện Máy nổ
Hình 3 1 Tóm tắt nội dung nghiên cứu
3.2 Nội dung 1: Khảo sát hiện trạng sử dụng sinh khối và năng lƣợng của
3.2.1 Phương pháp khảo sát hộ gia đình
Tiêu chí lựa chọn hộ khảo sát tại xã Mỹ An và xã Thái Mỹ bao gồm các hộ gia đình có diện tích đất trồng lúa trên 1ha, số lượng bò hoặc heo nuôi ổn định, và có bể biogas đang sử dụng Đối với xã Ka Đô, tiêu chí là các hộ gia đình có diện tích trồng rau màu lớn và số lượng heo nuôi ổn định Các hộ này được lựa chọn bởi cán bộ phụ trách quản lý nông nghiệp của xã.
Mỹ An là 15 hộ, xã Thái Mỹ là 15 hộ và30 hộ tại xã Ka Đô
Nội dung khảo sát tại các hộ gia đình bao gồm thông tin cá nhân của người được khảo sát, tình hình sử dụng đất, hoạt động trồng trọt và chăn nuôi, cũng như việc sử dụng năng lượng cho các hoạt động này và quản lý chất thải nông nghiệp Chi tiết về phiếu khảo sát tại xã Ka Đô được trình bày trong phụ lục 1, trong khi nội dung khảo sát tại xã Thái Mỹ và xã Mỹ An được thể hiện ở phụ lục 2.
Người được phỏng vấn cần là chủ hộ hoặc người tham gia trực tiếp vào sản xuất nông nghiệp Các thông tin cần thu thập bao gồm địa chỉ, tên chủ hộ, tên người khảo sát, số thành viên trong gia đình, trình độ học vấn và nguồn thu nhập chính Để đánh giá tình hình chăn nuôi heo và bò, khảo sát sẽ ghi nhận số lượng vật nuôi, chi phí chăn nuôi như thức ăn, thuốc, vaccine, và năng lượng cho hoạt động vệ sinh chuồng trại, cùng với lợi nhuận từ việc bán heo và bò Ngoài ra, thông tin về lượng phân heo bò, thể tích bể biogas và tình trạng sử dụng gas cũng được thu thập Đối với sản xuất trồng trọt, các thông số cần khảo sát bao gồm diện tích trồng lúa, sản lượng, và chi phí sản xuất như phân bón, thuốc trừ sâu, và chi phí máy móc Thông tin về lợi nhuận từ việc bán lúa và việc xử lý chất thải như rơm rạ, trấu, cám cũng được ghi nhận.
3.2.2 Khảo sát hiện trạng sản xuất nông nghiệp, môi trường và chiến lược phát triển của từng xã a Phương pháp thu thập số liệu
Bài khảo sát tập trung vào các số liệu quan trọng như tổng diện tích đất trồng trọt, sản lượng lúa tại xã Thái Mỹ và xã Mỹ An, cùng với tổng sản lượng từng loại hoa màu ở xã Ka Đô Ngoài ra, tổng đàn heo, bò của từng xã và báo cáo chiến lược phát triển đến năm 2020 cũng được xem xét, cùng với báo cáo hiện trạng môi trường Những số liệu này được thu thập từ phòng lưu trữ của xã Phương pháp phỏng vấn trực tiếp được áp dụng để hiểu rõ hơn về hiện trạng sản xuất nông nghiệp, với sự tham gia của các chuyên gia địa phương như chủ tịch xã, cán bộ nông nghiệp và hội trưởng hội nông dân Các câu hỏi phỏng vấn tập trung vào tình hình sản xuất nông nghiệp, xử lý chất thải nông nghiệp, cũng như các phương pháp trồng trọt và chăn nuôi phổ biến trong khu vực.
Đánh giá tiềm năng sử dụng rơm, và thân cây rau củ
Để đánh giá tiềm năng sử dụng rơm, cần ước tính sản lượng lúa tương lai dựa vào chiến lược phát triển kinh tế của xã và sự phát triển công nghệ tái sử dụng tại địa phương Tiềm năng này phụ thuộc vào điều kiện kinh tế - xã hội và khả năng áp dụng công nghệ tái sinh sinh khối Ngoài ra, chính sách về năng lượng tái tạo cũng ảnh hưởng đến việc sử dụng rơm Để ước tính khối lượng sinh khối, cần xác định rõ lượng sinh khối hiện tại và lượng sinh khối đã được sử dụng Nghiên cứu này áp dụng các công thức tính toán để đánh giá tiềm năng sử dụng rơm.
Lƣợng sinh khối sinh ra từ hoạt động trồng trọt đƣợc tính theo công thức 3.1
M r : khối lƣợng sinh khối (tấn/năm)
S: diện tích canh tác (ha)
K: hệ số phát thải (kg chất thải/kg sản phẩm)
Lƣợng bioethanol tiềm năng đƣợc tính dựa vào quá trình lên men và thiết bị theo công thức 3.2
V: thể tích ethanol thành phẩm (lít)
G: hàm lƣợng glucose có trong rơm (%)
H: hiệu suất quá trình lên men methane
P: Năng suất lý thuyết của thiết bị so với khối lƣợng rơm (%) h: Hiệu suất thiết bị (%)
D: khối lƣợng riêng của Ethanol (kg/m 3 )
Lƣợng ethanol đƣợc tính theo hàm lƣợng Glucose có trong rơm theo phản ứng
Phản ứng lên men của glucose (C6H12O6) tạo ra 2 mol ethanol (CH3CH2OH) và 2 mol carbon dioxide (CO2) Từ phản ứng này, mỗi 1 mol glucose sẽ sản xuất 2 mol ethanol Dựa vào tỷ lệ phần trăm glucose có trong rơm, có thể tính toán lượng ethanol được sinh ra từ quá trình này.
3.3.2 Ước tính lợi ích môi trường và kinh tế từ rơm
Sản lƣợng rơm rạ đốt ngoài đồng ruộng đƣợc tính theo công thức 3.3
Q st : sản lƣợng rơm rạ đốt ngoài đồng ruộng (tấn/ha/vụ)
Q p : sản lƣợng lúa (tấn/ha/vụ)
SGR: tỷ lệ rơm rạ so với sản lƣợng lúa;
K : tỷ lệ rơm rạ đốt ngoài đồng ruộng so với tổng sản lƣợng rơm
Lƣợng khí thải phát thải từ việc đốt rơm rạ đƣợc tính theo công thức 3.4
E i = Q st x EF i x F co (3.4) (Gaddle & cs., 2009)
E i : lượng khí thải I phát thải vào môi trường do đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng (kg/tấn rơm)
EF i: hệ số phát thải khí thải i từ việc đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng (g/kg rơm)
F co : tỷ lệ chuyển đổi thành khí thải khi đốt rơm rạ ( F co = 0.8 (Aalde & cs,
Công thức tính khối lƣợng củi trấu trong 1 năm đƣợc tính theo công thức 3.5 và 3.6
M trấu : khối lƣợng trấu phát sinh trong 1 năm, tấn/năm
M củi : khối lƣợng củi trấu trong 1 năm, tấn/năm
Q lúa : sản lƣợng lúa trên 1ha trong 1 năm, tấn/ha/năm
S lúa : diện tích trồng lúa, ha
0,15: hệ số phát thải trấu ( JICA, 2011)
1,05 : cứ 1,05 kg trấu sẽ tạo thành 1kg củi trấu (Công ty TNHH sản xuất &
TM kỹ thuật Bách Khoa)
Nhiệt lƣợng do củi trấu sinh ra đƣợc tính theo công thức 3.7 nhƣ sau
Q củi : nhiệt lƣợng củi trấu phát sinh, KJ
16.743 : nhiệt lƣợng của 1kg củi trấu, KJ/kg (Công ty TNHH sản xuất & TM kỹ thuật Bách Khoa)
Khối lƣợng than đá đƣợc thay thế khi sử dụng củi trấu đƣợc tính dựa vào công thức 3.8
1,5: nhiệt lƣợng của 1kg than đá bằng nhiệt lƣợng 1,5 kg củi trấu
M than đá : khối lượng than đá tương đương (kg/năm)
Lƣợng CO 2 phát thải đƣợc tính dựa vào hệ số phát thải khí CO 2 của củi trấu và than đá đƣợc tính theo công thức 3.12 và công thức 3.13
∑CO 2 củi trấu = M củi trấu x k 1 (3.12)
Hệ số phát thải CO2 từ than đá được tính theo công thức ∑CO2 than đá = M than đá x k2, trong đó k1 là hệ số phát thải từ củi trấu (106 kg CO2/tấn) và k2 là hệ số phát thải từ than đá (80 kg CO2/tấn) theo thông tin từ Prabir (2010) và Environment Canada.
∑CO 2 củi trấu : lƣợng CO2 phát thải từ đốt củi trấu (kgCO 2 / năm)
∑CO 2 than đá : lƣợng CO 2 phát thải từ đốt than đá (kgCO 2 / năm)
M củi trấu : khối lƣợng củi trấu sản xuất (kg/năm)
M than đá : khối lượng than đá tương đương với lượng củi trấu sử dụng (kg/năm)
Nội dung 3: Đánh giá tái sử dụng chất thải heo và bò
Lƣợng chất thải chăn nuôi đƣợc tính theo công thức 3.14 và 3.15
M p : khối lƣợng phân của loài hàng năm (kg/năm)
M nt : lượng nước tiểu của loài hàng năm (l/năm)
N: số lƣợng vật nuôi loài t hàng năm (con/năm)
K 1 : Hệ số phát thải phân ở mỗi con (kg/ngày)
K 2 : Hệ số phát thải nước tiểu: lượng nước tiểu phát thải ở mỗi con (kg/ngày)
Khối lượng khí methane sinh ra do quá trình lưu trữ và xử lý phân của vật nuôi đƣợc tính theo công thức 3.17
BE CH4,y =GWP CH4 x D CH4 x ∑MCF j x B o x N x VS x MS x U fb x 365 (3.17) (IPCC,
GWP CH4 : Hệ số tiềm năng nóng lên toàn cầu của khí CH 4 = 21
D CH4 : Mật độ khí CH 4 trên 1m 3 (tấn/m 3 )
MCF j : Hệ số chuyển đổi CH 4 hằng năm đối với hệ thống quản lý chất thải động vật loài j (%);
B o : Hệ số khả năng chuyển đổi CH 4 lớn nhất đối với chất rắn bay hơi từ phân động vật (m 3 CH 4 /kg);
N: số lƣợng động vật hằng năm (con);
VS: Chất rắn bay hơi của động vật (kg/con/năm);
MS: tỷ lệ phần trăm chất thải đƣợc xử lý bởi hệ thống quản lý chất thải (%);
U fb : Hệ số sai số = 0,94;
BE CH4 : Lƣợng khí CH4 (tấn/năm)
Năng lƣợng điện tiềm năng đƣợc tính theo công thức 3.18, 3.19 và 3.20
Q G, CH4 = (Nl t,y x E fy ) / D CH4 (3.18) (IPCC, 2006)
E Gy = Q G,CH4 x NCV CH4 x E ff x 0.00027 (3.19) (IPCC, 2006)
E ff = (VS x 365) x (Bo x 0.67)/(MCF/100) x MS)) xUfb (3.20) (IPCC, 2006)
Q G,CH4 : thể tích khí CH 4 khí đƣợc chuyển đổi từ khối lƣợng (m 3 /năm)
E fy : hệ số phát thải CH 4 phát thải cho loại vật nuôi T (tấn CO 2 /năm)
E Gy : lƣợng điện sinh ra do chuyển đổi từ Biogas hằng năm (MWh/năm) NCV CH4 : nhiệt trị của CH 4 ( 35,8 MJ/m 3 ) (IPCC, 2006)
E ff : hiệu suất chuyển đổi khí biogas sang điện (khoảng 34-40% đối với nhà máy công suất lớn và 25% đối với công suất nhỏ)
Thể tích hầm biogas đƣợc tính theo công thức 3.21 (APO, 2003)
K: hệ số phát thải (kg/con/ngày) n: số lƣợng vật nuôi (con)
2: hệ số đối với bò (trâu) hoặc 3 đối với heo t: thời gian lưu phân trong hầm biogas (60 ngày)
